KR20160093944A - 발광 장치 - Google Patents

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Abstract

실시 예의 발광 장치는, 직진성을 갖는 여기광을 방출하는 적어도 하나의 광원 및 직진성을 갖고 입사 방향으로 입사된 여기광을 입사 방향과 정반대 방향에 나란한 출사 방향으로 반사하는 반사부를 포함한다.

Description

발광 장치{Light emitting apparatus}
실시 예는 발광 장치에 관한 것이다.
반도체 발광 다이오드(LED:Light Emitting Diode)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜서 신호를 주고 받거나, 광원으로 사용되는 반도체 소자의 일종이다.
Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체(group Ⅲ-Ⅴ nitride semiconductor)는 물리적 및 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD:Laser Diode) 등 발광 소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다.
이러한 발광 다이오드나 레이져 다이오드는 백열등과 형광등 등의 기존 조명기구에 사용되는 수은(Hg)과 같은 환경 유해물질이 포함되어 있지 않아 우수한 친환경성을 가지며, 긴 수명과 저전력 소비특성 등과 같은 장점이 있기 때문에 기존의 광원들을 대체하고 있다.
특히, 이러한 발광 소자는 자동차용 헤드 라이트나 손전등 등 다양한 분야에 폭 넓게 그 적용 범위를 넓혀가고 있다. 이와 같이, 발광 소자를 포함하는 발광 장치는 우수한 광 추출 효율을 가질 것이 요구되고, 소형화 및 경량화, 낮은 제조 비용에 대한 요구도 지속적으로 증가하고 있는 실정이다.
실시 예는 개선된 신뢰성과 저렴한 제조 비용과 간단한 구조와 개선된 효율을 갖는 발광 장치를 제공한다.
실시 예에 의한 발광 장치는, 직진성을 갖는 여기광을 방출하는 적어도 하나의 광원; 및 상기 직진성을 갖고 입사 방향으로 입사된 상기 여기광을 상기 입사 방향과 정반대 방향에 나란한 출사 방향으로 반사하는 반사부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 발광 장치는, 상기 여기광의 파장을 변환하는 파장 변환부를 더 포함하고, 상기 반사부는 상기 입사 방향으로 입사된 상기 직진성을 갖는 여기광을 상기 파장 변환부 쪽으로 반사시키고, 상기 파장 변환부에서 변환된 파장을 갖는 변환광을 상기 출사 방향으로 반사할 수 있다.
예를 들어, 상기 발광 장치는, 상기 적어도 하나의 광원으로부터 방출된 상기 여기광의 방향을 상기 입사 방향으로 전환하는 적어도 하나의 광로 전환부를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 반사부는 상기 여기광과 상기 변환광을 반사하는 포물면을 포함할 수 있다. 상기 포물면은 금속 미러 코팅될 수 있다. 상기 포물면은 상기 여기광을 상기 파장 변환부 쪽으로 전반사시키기에 적합한 기울기를 가질 수 있다. 상기 기울기는 0 내지 1.5 이하일 수 있다. 상기 출사 방향은 상기 포물면에서 반사된 상기 변환광이 평행하게 출사되는 방향일 수 있다.
예를 들어, 상기 발광 장치는, 상기 반사부와 상기 파장 변환부 사이에서 상기 여기광과 상기 변환광이 지나가는 공간에 채워지는 굴절 부재를 더 포함할 수 있다. 상기 굴절 부재에서 상기 변환광이 출사되는 공기와의 경계면은 상기 출사 방향에 수직일 수 있다. 상기 굴절 부재의 제1 굴절률은 상기 파장 변환부의 제2 굴절률과 다를 수 있다. 상기 제1 굴절률은 1.4 내지 1.8일 수 있다. 상기 여기광은 블루 파장 대역의 블루 광을 포함하고, 상기 발광 장치는, 상기 굴절 부재의 공기와의 경계면에서 상기 블루 광이 지나가는 경로에 배치된 블루 광 차단부를 더 포함할 수 있다. 상기 블루 광 차단부는 상기 블루 광을 흡수하는 물질을 포함할 수도 있고, 상기 블루 광을 반사시키는 미러 코팅 면을 포함할 수도 있다.
예를 들어, 상기 발광 장치는, 상기 굴절 부재에서 상기 변환광이 출사되는 공기와의 경계면에 배치된 반사 방지막을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 적어도 하나의 광로 전환부는 상기 적어도 하나의 광원으로부터 방출된 상기 여기광을 상기 입사 방향으로 전환시키는 적어도 하나의 미러를 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 미러는 상기 적어도 하나의 광원으로부터 상기 출사 방향과 나란한 방향으로 방출된 상기 여기광을 직각으로 반사시키는 제1 미러; 및 상기 제1 미러에서 반사된 상기 여기광을 직각으로 상기 입사 방향으로 반사시키는 제2 미러를 포함할 수 있다. 상기 광로 전환부는 상기 적어도 하나의 광원으로부터 방출된 상기 여기광을 상기 입사 방향으로 굴절시키는 프리즘을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 적어도 하나의 광원은 상기 여기광을 방출하는 복수의 광원을 포함하고, 상기 적어도 하나의 광로 전환부는 상기 복수의 광원으로부터 방출되는 상기 여기광의 방향을 상기 입사 방향으로 전환할 수 있다. 상기 적어도 하나의 광로 전환부는 상기 복수의 광원으로부터 방출된 상기 여기광의 방향을 상기 입사 방향으로 각각 전환하는 복수의 광로 전환부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 적어도 하나의 광원과 상기 적어도 하나의 광로 전환부는 상기 반사부로부터 상기 변환광이 출사되는 광 출사 영역의 주변 영역에 배치될 수 있다. 상기 적어도 하나의 광로 전환부는 상기 주변 영역 중 내측 주변 영역 또는 외측 주변 영역 중 적어도 한 곳에 배치되어 상기 여기광을 상기 내측 주변 영역에서 상기 반사부로 입사시키고, 상기 적어도 하나의 광원은 상기 내측 주변 영역 또는 상기 외측 주변 영역 중 적어도 한 곳에 배치되고, 상기 내측 주변 영역은 상기 반사부를 대면하는 영역을 포함하고, 상기 외측 주변 영역은 상기 반사부를 대면하지 않고 상기 내측 주변 영역에 이웃하는 영역을 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 광로 전환부는 상기 광 출사 영역의 상부 또는 측부 중 적어도 한 곳의 상기 주변 영역에 위치할 수 있다.
예를 들어, 상기 적어도 하나의 광원은 상기 변환광이 출사되는 광 출사 영역의 주변 영역 중에서 상기 반사부를 대면하는 내측 주변 영역으로 상기 여기광을 상기 반사부로 조사하도록 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 발광 장치는, 상기 적어도 하나의 광원과 상기 반사부 사이에 배치된 투광부를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 직진성을 갖는 상기 여기광이 발산 또는 수렴하는 각도는 0° 내지 1°일 수 있다.
실시 예에 따른 발광 장치는 포물면의 특성을 이용하여 여기광이 파장 변환부로 전달되는 경로를 간단하게 설계할 수 있어 비용과 양산성과 신뢰성 측면이 개선될 수 있고 구조를 간단히 하면서도 높은 변환광 효율을 보장할 수 있고, 전반사를 이용하여 여기광과 변환광을 반사시킴으로써 더욱 개선된 효율을 가지며, 반사형 방식의 장점을 채택하여 높은 광 변환 효율을 가지면서도 반사형 방식의 단점을 해소하여, 기존과 비교할 때 동일한 전력 소모로 더 나은 성능을 낼 수 있고, 더 적은 전력 소모로 동일한 성능을 제공할 수 있다.
도 1a는 일 실시 예에 의한 발광 장치의 결합 단면도를 나타내고, 도 1b는 도 1a에 도시된 발광 장치의 분해 단면도를 나타낸다.
도 2는 광 출사 영역과 주변 영역을 설명하기 위한 반사부와 기판만의 정면도를 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 다른 실시 예에 의한 발광 장치의 결합 단면도 및 분해 단면도를 각각 나타낸다.
도 4는 도 3a 및 도 3b에 도시된 반사부의 기울기를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치의 단면도를 나타낸다.
도 6은 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치의 단면도를 나타낸다.
도 7은 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치의 단면도를 나타낸다.
도 8은 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치의 단면도를 나타낸다.
도 9는 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치의 단면도를 나타낸다.
도 10a 내지 도 10c는 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치의 단면도, 평면도 및 정면도를 각각 나타낸다.
도 11a 및 도 11b는 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치의 평면도 및 정면도를 각각 나타낸다.
도 12a 내지 도 12c는 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치의 단면도, 평면도 및 정면도를 각각 나타낸다.
도 13은 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치의 단면도를 나타낸다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 실시 예의 설명에 있어서, 각 구성요소(element)의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 구성요소(element)가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소(element)가 상기 두 구성요소(element) 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"로 표현되는 경우 하나의 구성요소(element)를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다.
이하, 실시 예에 의한 발광 장치(100A 내지 100K)를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 편의상, 데카르트 좌표계(x축, y축, z축)를 이용하여 발광 장치(100A 내지 100K)를 설명하지만, 다른 좌표계에 의해서도 이를 설명할 수 있음은 물론이다.
도 1a는 일 실시 예에 의한 발광 장치(100A)의 결합 단면도를 나타내고, 도 1b는 도 1a에 도시된 발광 장치(100A)의 분해 단면도를 나타낸다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 실시 예에 의한 발광 장치(100A)는 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130), 기판(140), 반사층(150) 및 투광부(또는, 광학부)(160)를 포함할 수 있다. 설명의 편의상 도 1b에 도시된 반사층(150)은 도 1a에서 생략되었다.
광원(110)은 여기광을 방출하는 역할을 하며, 발광 다이오드(LED:Light Emitting Diode) 또는 레이져 다이오드(LD:Laser Diode) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 실시 예는 광원(110)의 종류에 국한되지 않는다.
도 1a 및 도 1b의 경우 하나의 광원(110)만이 도시되어 있지만, 실시 예는 광원(110)의 개수에 국한되지 않는다. 즉, 광원(110)은 도 10a 내지 도 12c에 예시된 바와 같이 복수 개일 수 있다.
또한, 광원(110)에서 방출되는 여기광은 400 ㎚ 내지 500 ㎚의 파장 대역에서 임의의 피크(peak) 파장을 가질 수 있으나, 실시 예는 여기광의 파장 대역에 국한되지 않는다. 광원(110)은 10 ㎚ 이하의 스펙트럴 반치폭(SFWHM:Spectral Full Width at Half Maximum)을 갖는 여기광을 방출할 수 있다. 이는 파장별 강도(intensity)에서의 파장 폭에 해당한다. 그러나, 실시 예는 SFWHM의 특정값에 국한되지 않는다. 그리고, 광원(110)에서 방출되어 파장 변환부(120)로 입사되는 여기광의 반치폭(FWHM)은 3 ㎚ 이하일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
투광부(160)는 광원(110)과 반사부(130) 사이에 배치되어 광원(110)에서 방출된 여기광을 포커싱(focusing)하고 콜리메이팅(collimating)하는 역할을 수행할 수 있다.
또한, 투광부(160)는 공기와 같이 굴절률이 1인 투명 매질을 포함할 수도 있고, 1보다 크고 2 이하의 굴절률을 갖는 투명 매질을 포함할 수 있다. 또한, 투광부(160)는 다양한 형태의 적어도 하나의 렌즈를 포함할 수 있다. 경우에 따라, 발광 장치(100A)는 투광부(160)를 포함하지 않을 수도 있다.
또한, 광원(110)으로부터 방출되는 여기광이 직진성을 가질 수 있다. 또는, 광원(110)으로부터 방출되는 여기광이 직진성을 갖지 않지만, 투광부(160)를 이용하여 직진성을 갖도록 할 수도 있다. 이와 같이, 광원(110)으로부터 방출되는 여기광이 직진성을 갖고 반사부(130)로 조사될 수 있다면, 실시 예는 광원(110)의 종류와, 투광부(160)의 종류와, 투광부(160)의 존재 여부에 국한되지 않는다. 여기서, 여기광이 직진성을 갖는다는 것은 여기광의 발산 또는 수렴하는 각도가 0° 내지 1°에 속함을 의미할 수 있다. 이때, 여기광의 발산 또는 수렴하는 각도가 0° 내지 1°라는 것은 광원(110)의 광축을 기준으로 여기광의 퍼짐 정도가 0° 내지 0.5°라는 것을 의미할 수 있다.
파장 변환부(120)는 광원(110)에서 방출되어 반사부(130)에서 반사된 여기광의 파장을 변환하고, 변환된 파장을 갖는 광(이하, '변환광'이라 한다)을 출사시킨다.
파장 변환부(120)는 무수한 점광원의 집합일 수 있으며, 각 점광원은 여기광을 흡수하고 변환광을 방출할 수 있다. 파장 변환부(120)에서 방출되는 빛은 방향성이 없는 등방성을 가지므로, 파장 변환부(120) 전체에서 방출되는 빛은 파장 변환부(120)의 양면으로 거의 동일한 량과 분포로 방출될 수 있다. 구체적으로는, 파장 변환부(120)의 산란 특성에 따라 여기광과 변환광이 파장 변환부(120) 내부에서 산란되기 때문에, 파장 변환부(120)의 앞과 뒤에서 방출되는 빛의 분포나 량이 약간 달라질 수도 있다.
도시된 파장 변환부(120)는 투과형이 아닌 반사형이므로, 앞으로 방출되는 빛을 그대로 사용하면서 뒤로 방출되는 빛도 반사판의 반사율만큼 전부 앞으로 되반사시켜 사용할 수 있어 높은 효율을 가질 수 있다.
또한, 파장 변환부(120)는 기판(140)에 배치될 수 있다. 도 1a에 예시된 바와 같이 기판(140)은 반사부(130)와 직접 대면할 수도 있고, 도 1b에 예시된 바와 같이 반사층(150)을 사이에 두고 반사부(130)와 대면할 수도 있다. 기판(140)은 파장 변환부(120)가 배치되는 홈부(142)를 포함할 수 있다.
광원(110)에서 방출된 여기광의 파장이 파장 변환부(120)에서 변환됨으로써, 백색광이나 원하는 색 온도의 광이 발광 장치(100A)로부터 출사될 수 있다. 이를 위해, 파장 변환부(120)는 인광 물질(phosphor) 예를 들어 세라믹 인광 물질(ceramic phosphor), 루미포(lumphors) 또는 YAG 단결정(sigle-crystal) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 루미포란, 발광 물질(luminescent materials) 또는 발광 물질을 포함하는 구조를 의미할 수 있다.
또한, 파장 변환부(120)에 포함되는 다양한 물질의 농도, 입도 크기, 입도 크기 분포, 파장 변환부(120)의 두께, 파장 변환부(120)의 표면 거칠기, 기포 등을 조절함으로써, 원하는 색온도를 갖는 광이 발광 장치(100A)로부터 출사될 수 있다. 예를 들어, 파장 변환부(120)는 색 온도 기준으로 3000K 내지 9000K까지 광의 파장 대역을 변환할 수 있다. 즉, 파장 변환부(120)에서 변환된 파장을 갖는 변환광의 색 온도 범위는 3000K 내지 9000K일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
파장 변환부(120)는 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 파장 변환부(120)는 3가지의 형태 즉, PIG(Phosphor In Glass)형, 다결정 라인(poly crystal-line)형(또는 세라믹(ceramic)형) 또는 단결정 라인(single crystal-line)형일 수 있다.
비록 도시되지는 않았지만, 파장 변환부(120)와 홈부(142) 사이에 금속 재질로 구현된 방열판을 배치하여, 방열 효과를 개선시킬 수도 있다.
한편, 반사부(130)는 입사 방향(예를 들어, -z축 방향)으로 입사된 직진성을 갖는 여기광을 파장 변환부(120) 쪽으로 반사시킨다. 또한, 반사부(130)는 파장 변환부(120)에서 변환된 파장을 갖는 변환광을 입사 방향과 정반대 방향에 나란한 출사 방향(예를 들어, +z축 방향)으로 반사시킬 수 있다. 여기서, 출사 방향(예를 들어, +z축 방향)이란, 반사부(130)의 포물면(132)에서 반사된 변환광이 평행하게 출사되는 방향을 의미할 수 있다. 반사부(130)가 포물선 형상일 경우, 파장 변환부(120)의 위치는 포물선 형상의 초점에 해당할 수 있다. 이때, 반사부(130)는 파장 변환부(120)에서 변환된 파장을 갖는 변환광뿐만 아니라 파장 변환부(120)에서 파장이 변환되지 않은 광을 모두 반사할 수 있다.
반사부(130)는 직진성을 갖고 입사 방향으로 입사된 여기광을 반사하고, 입사 방향과 정반대 방향에 나란한 출사 방향으로 변환광을 반사시키기에 적합한 포물면(132)을 포함할 수 있다.
또는, 발광 장치(100A)가 파장 변환부(120)를 포함하지 않을 경우, 반사부(130)는 직진성을 갖고 입사 방향으로 입사된 여기광을 입사 방향과 정반대 방향에 나란한 출사 방향으로 반사시킬 수 있다.
일 례로서, 반사부(130)의 포물면(132)은 금속 미러 코팅될 수 있다. 이와 같이 포물면(132)이 금속 미러 코팅되어 있을 경우, 여기광이 포물면(132)에서 반사되어 파장 변환부(120)로 반사될 수 있고 변환광이 포물면(132)에서 반사되어 출사 방향으로 출사될 수 있다.
경우에 따라 전술한 파장 변환부(120)는 생략될 수도 있다. 만일, 발광 장치(100A)가 파장 변환부(120)를 포함하지 않을 경우, 반사부(130)는 직진성을 갖고 입사 방향으로 입사된 여기광을 반사하여 입사 방향과 정반대 방향에 나란한 출사 방향으로 반사시킬 수 있다.
이하, 발광 장치(100A)가 파장 변환부(120)를 포함하는 경우에 대해 설명하지만, 하기의 설명은 발광 장치(100A)가 파장 변환부(120)를 포함하지 않은 경우에도 적용될 수 있음은 물론이다.
도 2는 광 출사 영역(LA:Lit Area)과 주변 영역(PA:Peripheral Area)을 설명하기 위한 반사부(130)와 기판(140)만의 정면도를 나타낸다.
도 1a, 도 1b 및 도 2를 참조하면, 광 출사 영역(LA)이란, 반사부(130)에서 반사되어 출사 방향(예를 들어, +z축 방향)으로 변환광이 출사되는 영역으로서 정의될 수 있다. 또한, 주변 영역(PA)이란, 광 출사 영역(LA)의 주변의 영역으로서 정의될 수 있다.
주변 영역(PA)은 내측 주변 영역(IPA:Internal PA)과 외측 주변 영역(OPA:Outer PA)으로 구분될 수 있다. 내측 주변 영역(IPA)이란 반사부(130)의 내측(132)을 바라보는 주변 영역으로서 정의되고, 외측 주변 영역(OPA)이란 반사부(130)의 내측(132)을 바라보지 않으며 내측 주변 영역(IPA)으로부터 연장된 영역으로서 정의될 수 있다.
이때, 도 1a 또는 도 1b에 예시된 바와 같이 광원(110)은 광 출사 영역(LA)의 주변 영역(PA) 중에서 내측 주변 영역(IPA)으로 여기광을 방출할 수 있는 위치에 배치될 수 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 후술되는 바와 같이, 광원(110)이 외측 주변 영역(OPA)에 배치될 경우에도 여기광은 내측 주변 영역(IPA)으로 입사될 수 있다.
만일, 반사부(130)로 조사되는 여기광의 크기가 5 ㎜보다 작을 경우 바람직하지만 구현하기 어렵고, 30 ㎜ 이상이 되면 광 출사 영역(LA)이 좁아질 수 있다 .이를 고려하여, 여기광의 크기는 5 ㎜ 내지 30 ㎜일 수 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
또한, 반사부(130)는 원하는 조도 분포에 따라 비구면, 자유형 만곡(freeform curve)면, 프레넬 렌즈(fresnel), 또는 홀로그라피 광학 소자(HOE:Holography Optical Element) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 자유형 만곡면이란, 다양한 형태의 곡선면이 배치된 형상을 의미할 수 있다.
만일, 반사부(130)로서 프레넬 렌즈가 사용될 경우, 프레넬 렌즈는 파장 변환부(120)에서 변환된 파장을 갖는 변환광뿐만 아니라 파장이 변환되지 않은 광을 모두 반사시키는 반사부(130)의 역할을 수행할 수 있다.
한편, 도 1b에 예시된 반사층(150)은 파장 변환부(120) 또는 기판(140)에 필름 형태로 부착되거나 코팅된 형태로 부착될 수 있다. 만일, 반사층(150)의 반사율이 60 %보다 작을 경우, 반사층(150)은 반사의 역할을 제대로 수행할 수 없다. 따라서, 반사층(150)의 반사율은 60% 내지 100%일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 경우에 따라서, 반사층(150)은 생략될 수도 있다.
도 3a 및 도 3b는 다른 실시 예에 의한 발광 장치(100B)의 결합 단면도 및 분해 단면도를 각각 나타낸다. 편의상, 도 3b에 도시된 반사층(150)은 도 3a에서 생략되었다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 발광 장치(100B)는 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130), 기판(140), 반사층(150), 투광부(160) 및 굴절 부재(170)를 포함할 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 발광 장치(100A)와 달리, 도 3a 및 도 3b에 도시된 발광 장치(100B)는 굴절 부재(170)를 더 포함할 수 있다. 이를 제외하면, 도 3a 및 도 3b에 도시된 발광 장치(100B)는 도 1a 및 도 1b에 도시된 발광 장치(100A)와 동일하므로 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하였으며, 중복되는 설명을 생략한다.
기판(140)은 도 3a에 예시된 바와 같이 굴절 부재(170)와 직접 접촉할 수도 있고, 도 3b에 예시된 바와 같이 반사층(150)을 사이에 두고 굴절 부재(170)와 대면할 수도 있다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 굴절 부재(170)는 반사부(130)와 파장 변환부(120) 사이에서 여기광과 변환광이 지나가는 공간에 채워져서, 반사부(130)에서 반사된 여기광을 굴절시키거나 파장 변환부(120)로부터의 변환광을 굴절시킬 수 있다.
굴절 부재(170)가 파장 변환부(120)에서 파장 변환된 후 반사부(130)를 향해 변환광이 지나가는 공간의 전체를 채워지도록 배치됨으로써, 파장 변환부(120)로부터의 변환광이 지나가는 공간에 공기가 포함되지 않도록 할 수 있다. 이로 인해, 파장 변환부(120)로부터 반사부(130)로 향하는 변환광은 공기를 거치지 않고 굴절 부재(170)를 경유하여 반사부(130)로 진행할 수 있고, 반사부(130)에서 반사된 광은 굴절 부재(170)를 경유한 후 경계면(172)을 통해 공기로 출사될 수 있다. 또한, 광원(110)으로부터 방출된 여기광이 굴절 부재(170)를 경유한 후 반사부(130)에서 반사되고, 반사부(130)에서 반사된 광은 굴절 부재(170)를 경유하여 파장 변환부(120)에 도달할 수 있다.
굴절 부재(170)에서 반사부(130)의 포물면(132)에서 반사된 변환광이 출사되는 공기와의 경계면(172)은 출사 방향(예를 들어, +z축 방향)에 수직(예를 들어, y축 방향)일 수 있다. 이와 같이, 출사 방향이 경계면(172)과 수직을 이룰 경우, 여기광이 입사되는 경로가 경계면(172)에서 굴절되지 않고 포물면(132)에 평행하게 입사될 수 있다.
또한, 굴절 부재(170)의 제1 굴절률(n1)은 파장 변환부(120)의 제2 굴절률(n2)과 다를 수 있다. 굴절 부재(170)의 제1 굴절률(n1)과 파장 변환부(120)의 제2 굴절률(n2) 간의 굴절률 차(Δn)가 적으면 적을수록, 발광 장치(100B)의 광 추출 효율의 향상 폭은 커질 수 있다. 그러나, 제1 및 제2 굴절률(n1, n2) 간의 굴절률 차(Δn)가 크면, 발광 장치(100B)의 광 추출 효율의 향상 폭은 감소할 수 있다. 이를 고려하여, 파장 변환부(120)와 굴절 부재(170)의 재질을 선택할 수 있다. 예를 들어, 굴절 부재(170)는 Al2O3 단결정(single crystsal), Al2O3 또는 SiO2 glass 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 파장 변환부(120)의 형태에 따라 제2 굴절률(n2)은 달라질 수 있다. 만일, 파장 변환부(120)가 PIG형일 경우 제2 굴절률(n2)은 1.3 내지 1.7이고, 파장 변환부(120)가 다결정 라인형일 경우 제2 굴절률(n2)은 1.5 내지 2.0이고, 파장 변환부(120)가 단결정 라인형일 경우 제2 굴절률(n2)은 1.5 내지 2.0일 수 있다. 이와 같이, 제2 굴절률(n2)은 1.3 내지 2.0일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
또한, 굴절 부재(170)의 열전도도가 높을 경우, 파장 변환부(120)에서 발생하는 열을 방열시키기 유리할 수 있다. 열전도도는 굴절 부재(170)의 재질의 종류 및 기준 온도(즉, 주변 환경의 온도)에 따라 달라질 수 있다. 이를 고려하면, 굴절 부재(170)는 1 W/mK 내지 50 W/mK의 열전도 계수(Thermal Conductivity) 및/또는 20K 내지 400K의 기준 온도를 갖는 물질을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 굴절 부재(170)의 재질의 종류에 따라 광 추출 효율과 방열 특성이 결정되므로, 이를 고려하여 굴절 부재(170)의 재질이 결정될 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 발광 장치(100A)가 굴절 부재(170)를 포함하지 않을 경우 파장 변환부(120)에서 파장 변환된 광이 반사부(130)로 진행하는 동안, 프레즈널 방정식(fresnel equation)에 의해 필연적으로 광 손실이 발생될 수 있다. 왜냐하면, 광 손실은 파장 변환부(120)와 포물면(132) 사이에 존재하는 공기와 파장 변환부(120)의 굴절률 차에 의해 전반사(TIR:Total Internal Reflection) 각도가 작아 파장 변환부(120) 내에서 좁은 각도로 방출되는 변환광만이 포물면(132)으로 진행할 수 있기 때문이다. 더우기, 광원(110)으로서 레이저 다이오드와 같이 고집적 특성을 갖는 직진성을 갖는 여기광을 사용할 경우, 파장 변환부(120)와 공기 간의 굴절률 차는 더욱 커져서 이러한 광 손실이 더욱 커질수 있다. 왜냐하면, LD를 사용할 경우 단/다결정 라인 형태를 갖는 고굴절률을 갖는 물질 이외에는 파장 변환부(120)로서 적합한 물질이 아직 없기 때문이다.
그러나, 도 3a 및 도 3b에 예시된 바와 같이 발광 장치(100B)가 굴절 부재(170)를 포함할 경우, 파장 변환부(120)에서 파장 변환된 광이 반사부(130)로 진행하는 동안, 전술한 광 손실이 개선될 수 있다. 이를 고려하여, 굴절 부재(170)는 공기의 굴절률과 유사한 굴절률을 갖는 물질로 구현될 수 있다. 이와 같이, 공기의 굴절률과 유사한 굴절률을 갖는 물질로 굴절 부재(170)를 구현할 경우, 파장 변환부(120)에서 파장 변환된 변환광이 손실없이 포물면(132)에 도달할 수 있다. 예를 들어, 제1 굴절률(n1)은 1.4 내지 1.8일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
또한, 반사부(130)와 굴절 부재(170)는 일체형으로 구현될 수 있다. 이 경우, 굴절 부재(170)는 렌즈의 역할뿐만 아니라 반사의 역할도 수행할 수 있다. 이와 같이, 반사부(130)와 굴절 부재(170)가 일체형으로 구현될 경우, 파장 변환부(120)로부터 반사부(130)로 진행하는 변환광이 공기와 접촉할 가능성이 없어질 수 있다.
또한, 굴절 부재(170)와 기판(140)은 발광 장치(100B)에서 구현시키고자 하는 원하는 조도 분포에 따라 2차원 패턴 또는 3차원 패턴 중 적어도 하나의 패턴을 가질 수 있다.
한편, 도 3a 및 도 3b에 도시된 반사부(130)는 도 1a 및 도 1b에 도시된 반사부(130)와 동일한 기능을 수행하기 위해 금속 미러 코팅될 수 있다. 또는, 도 3a 및 도 3b에 도시된 반사부(130)는 금속 미러 코팅되지 않을 수도 있다. 이 경우, 반사부(130)의 포물면(132)은 여기광을 파장 변환부(120) 쪽으로 전반사시키고, 파장 변환부(120)에서 파장 변환된 변환광을 입사 방향과 정반대 방향에 나란한 출사 방향으로 전반사시키기에 적합한 기울기를 가질 수 있다. 도 3a를 참조하면 입사 방향으로 입사되는 여기광은 포물면(132)의 'A' 부분에서 전반사가 일어날 수 있다.
도 4는 도 3a 및 도 3b에 도시된 반사부(130)의 기울기를 설명하기 위한 도면이다.
반사부(130)의 포물면(132)의 기울기가 0일 때부터 특정한 기울기 즉, 최대 기울기까지의 범위 내에서 여기광 또는 변환광이 반사부(130)로 들어오면 전반사가 발생할 수 있다. 최대 기울기는 전반사각(θc)과 대응되는 기울기이므로 tan(90°- θc)로부터 구할 수 있다. 이에 대해 상세히 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 반사부(130)의 포물면(132)의 기울기는 다음 수학식 1의 미분값(y')인 수학식 2로부터 알 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
여기서, 수학식 1과 2에서, p는 초점 거리를 나타내고, z는 광축 좌표를 나타낸다.
수학식 2로부터, 초점 거리(p)와 광축 좌표(z)의 비율의 제곱근이 0에서 최대 기울기 사이의 범위에 있을 때, 포물면(132)에서 전반사가 일어남을 알 수 있다. 굴절 부재(170)의 제1 굴절률(n1)에 따른 전반사각(θc)과 최대 기울기 간의 관계는 다음 표 1과 같다.
굴절률 전반사각 최대 기울기
1.4 45.58 0.9798
1.5 41.81 1.1180
1.6 38.68 1.2490
1.7 36.03 1.3748
1.8 33.75 1.4967
전술한 수학식 2 및 표 1로부터 알 수 있듯이, 전반사를 위한 반사부(130)의 기울기는 0 내지 1.5 이하일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
도 5는 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치(100C)의 단면도를 나타낸다.
도 5에 도시된 발광 장치(100C)는 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130), 기판(140), 투광부(160), 굴절 부재(170) 및 반사 방지(AR:AntiReflect)막(180)을 포함할 수 있다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 발광 장치(100B)와 달리 도 5에 도시된 발광 장치(100C)는 반사 방지막(180)을 더 포함할 수 있다. 이를 제외하면, 도 5에 도시된 발광 장치(100C)는 도 3a에 도시된 발광 장치(100B)와 동일하므로 중복되는 설명을 생략한다. 즉, 도 5에 도시된 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130), 기판(140), 투광부(160) 및 굴절 부재(170)는 도 3a에 도시된 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130), 기판(140), 투광부(160) 및 굴절 부재(170)와 각각 동일한 기능을 수행한다.
반사 방지막(180)은 광원(110)과 굴절 부재(170) 사이에 배치될 수 있다. 반사 방지막(180)은 굴절 부재(170)에서 변환광이 출사되는 공기와의 경계면(172)에 배치될 수 있다. 경우에 따라, 반사 방지막(180)은 생략될 수도 있다.
도 6은 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치(100D)의 단면도를 나타낸다.
도 6에 도시된 발광 장치(100D)는 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130), 기판(140), 투광부(160), 굴절 부재(170) 및 광 경로 전환부(이하, '광로 전환부'라 함)(190A)를 포함할 수 있다.
도 3a에 도시된 발광 장치(100B)와 달리 도 6에 도시된 발광 장치(100D)는 광로 전환부(190A)를 더 포함할 수 있다. 이 경우 광원(110)은 도 3a에 도시된 광원(110)과 다른 위치에 배치될 수 있다. 이를 제외하면, 도 6에 도시된 발광 장치(100D)는 도 3a에 도시된 발광 장치(100B)와 동일하므로 중복되는 설명을 생략한다. 즉, 도 6에 도시된 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130), 기판(140), 투광부(160) 및 굴절 부재(170)는 도 3a에 도시된 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130), 기판(140), 투광부(160) 및 굴절 부재(170)와 각각 동일한 기능을 수행할 수 있다.
광로 전환부(190A)는 광원(110)으로부터 방출된 직진성을 갖는 여기광의 방향을 입사 방향으로 전환하는 역할을 한다. 광원(110)과 광로 전환부(190A)는 주변 영역(PA)에 배치될 수 있다. 특히, 도 6에 예시된 바와 같이 광로 전환부(190A)는 광원(110)으로부터 방출된 여기광이 내측 주변 영역(IPA)에서 반사부(130)를 향해 진행하도록 여기광의 광로를 전환하기에 적합한 위치에 배치될 수 있다. 즉, 도 6의 경우, 광로 전환부(190A)는 내측 주변 영역(IPA)과 외측 주변 영역(OPA)에 걸쳐서 배치되어, 광원(110)으로부터 방출된 여기광의 입사 방향을 전환할 수 있다. 이때, 광원(110)은 외측 주변 영역(OPA)에 배치될 수 있다.
도 6을 참조하면, 광로 전환부(190A)는 미러를 포함할 수 있다. 여기서, 광로 전환부(190A)의 미러는 광원(110)으로부터 방출된 여기광을 입사 방향으로 전환시키는 역할을 한다. 즉, 광원(110)으로부터 직진성을 갖는 여기광이 -y축 방향으로 방출될 경우, 미러(190A)는 -y축 방향의 여기광을 입사 방향인 -z축 방향으로 전환시키기 위해, 광원(110)으로부터의 여기광을 반사시키는 역할을 한다.
도 7은 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치(100E)의 단면도를 나타낸다.
도 7에 도시된 발광 장치(100E)는 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130), 기판(140), 투광부(160), 굴절 부재(170) 및 광 경로 전환부(190B)를 포함할 수 있다.
도 7에 도시된 발광 장치(100E)는 도 6에 도시된 발광 장치(100D)의 광로 전환부(190A)와 다른 형태의 광로 전환부(190B)를 포함할 수 있다. 즉, 도 7에 도시된 광로 전환부(190B)는 프리즘을 포함할 수 있다. 프리즘은 광원(110)으로부터 -y축 방향으로 방출된 직진성을 갖는 여기광을 -z축 방향인 입사 방향으로 굴절시키는 역할을 한다. 이 경우, 도 7에 도시된 프리즘으로 구현되는 광로 전환부(190B)는 도 6에 도시된 광로 전환부(190A)와 마찬가지로 내측 주변 영역(IPA)으로 여기광이 입사되도록 광로를 전환시키기에 적합한 위치에 배치되고, 광원(110)은 외측 주변 영역(OPA)에 배치될 수 있다.
전술한 바와 같이 광로 전환부(190B)의 형태가 다름을 제외하면, 도 7에 도시된 발광 장치(100E)는 도 6에 도시된 발광 장치(100D)와 동일하므로 중복되는 설명을 생략한다. 즉, 도 7에 도시된 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130), 기판(140), 투광부(160) 및 굴절 부재(170)는 도 6에 도시된 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130), 기판(140), 투광부(160) 및 굴절 부재(170)와 각각 동일한 기능을 수행한다.
도 8은 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치(100F)의 단면도를 나타낸다.
도 8에 도시된 발광 장치(100F)는 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130), 기판(140), 투광부(160), 굴절 부재(170) 및 광 경로 전환부(190C)를 포함할 수 있다.
도 8에 도시된 발광 장치(100F)는 도 6에 도시된 발광 장치(100D)의 광로 전환부(190A)와 다른 형태의 광로 전환부(190C)를 포함할 수 있다. 즉, 도 6에 도시된 광로 전환부(190A)가 하나의 미러를 포함하는 반면, 도 8에 도시된 광로 전환부(190C)는 복수의 미러(190C-1, 190C-2)를 포함할 수 있다.
도 8에서, 제1 미러(190C-1)는 광원(110)으로부터 출사 방향(예를 들어, +z축 방향)과 나란한 방향으로 방출된 여기광을 직각으로 반사시킨다. 제1 미러(190C-1)에서 반사된 여기광은 -y축 방향으로 진행한다. 또한, 제2 미러(190C-2)는 제1 미러(190C-1)에서 반사된 여기광을 직각으로 입사 방향으로 반사시킨다. 즉, 제2 미러(190C-2)에서 반사된 여기광은 입사 방향인 -z축 방향으로 향한다.
또한, 도 6에 도시된 광로 전환부(190A)를 구현하는 미러는 내측 주변 영역(IPA)과 외측 주변 영역(OPA)에 걸쳐서 배치되는 반면, 도 8에 도시된 광로 전환부(190C)의 제1 미러(190C-1)는 내측 주변 영역(IPA)과 외측 주변 영역(OPA)에 걸쳐서 배치되고, 제2 미러(190C-2)는 외측 주변 영역(OPA)에만 배치될 수 있다.
전술한 바와 같이, 미러의 개수와 미러가 배치되는 영역이 다름을 제외하면, 도 8에 도시된 발광 장치(100F)는 도 6에 도시된 발광 장치(100D)와 동일하므로 중복되는 설명을 생략한다. 즉, 도 8에 도시된 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130), 기판(140), 투광부(160) 및 굴절 부재(170)는 도 6에 도시된 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130), 기판(140), 투광부(160) 및 굴절 부재(170)와 각각 동일한 기능을 수행한다.
도 9는 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치(100G)의 단면도를 나타낸다.
도 9에 도시된 발광 장치(100G)는 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130), 기판(140), 투광부(160), 굴절 부재(170) 및 광로 전환부(190D)를 포함할 수 있다.
도 9에 도시된 발광 장치(100G)는 도 7에 도시된 발광 장치(100E)의 광로 전환부(190B)와 다른 형태의 광로 전환부(190D)를 포함할 수 있다. 즉, 도 7에 도시된 광로 전환부(190B)가 삼각형 형태의 프리즘을 포함하는 반면, 도 9에 도시된 광로 전환부(190D)는 사다리꼴 형태의 프리즘을 포함할 수 있다.
광로 전환부(190D)의 프리즘은 광원(110)으로부터 출사 방향(예를 들어, +z축 방향)으로 방출된 여기광을 1차적으로 직각으로 반사시키고, 1차적으로 직각으로 반사된 여기광을 2차적으로 직각으로 입사 방향으로 반사시킨다. 즉, 광로 전환부(190D)인 프리즘에서 반사된 여기광은 입사 방향인 -z축 방향으로 향한다.
전술한 바와 같이, 프리즘의 형태가 다름을 제외하면, 도 9에 도시된 발광 장치(100G)는 도 7에 도시된 발광 장치(100E)와 동일하므로 중복되는 설명을 생략한다. 즉, 도 9에 도시된 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130), 기판(140), 투광부(160) 및 굴절 부재(170)는 도 7에 도시된 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130), 기판(140), 투광부(160) 및 굴절 부재(170)와 각각 동일한 기능을 수행한다.
한편, 실시 예에 의한 발광 장치가 예를 들어 자동차용 조명 장치를 위해 사용될 경우, 광원(110)의 개수는 복수 개일 수 있다. 이와 같이, 실시 예에 의한 발광 장치의 적용 분야에 따라 광원(110)의 개수는 다양해질 수 있다. 이하, 복수 개의 광원을 포함하는 실시 예에 의한 발광 장치(100H 내지 100J)에 대해 다음과 같이 살펴본다. 이때, 광원(110)의 개수는 3개인 것으로 설명하지만, 광원(110)의 개수가 2개이거나 3개보다 많은 경우에도 하기의 설명은 적용될 수 있다. 또한, 실시 예에 의한 발광 장치(100H 내지 100J)에 포함되는 광로 전환부는 도 9에 도시된 형태의 광로 전환부(190D)인 것으로 설명하지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 발광 장치가 광로 전환부(190D) 대신에 도 6, 도 7 또는 도 8에 도시된 형태의 광로 전환부(190A, 190B, 190C)를 포함할 경우에도 하기의 설명은 적용될 수 있다.
도 10a 내지 도 10c는 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치(100H)의 단면도, 평면도 및 정면도를 각각 나타낸다. 도 10b는 파장 변환부(120)의 위치와 여기광 및 변환광의 진행을 보이기 위해, 도 10a에 도시된 반사부(130)를 I-I'선을 따라 절개한 평면도를 나타낸다.
도 10a 내지 도 10c에 도시된 발광 장치(100H)는 복수의 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130), 기판(140), 투광부(160), 굴절 부재(170) 및 광 경로 전환부(190D)를 포함할 수 있다.
도 10a 내지 도 10c를 참조하면, 발광 장치(100H)는 3개의 광원(110)을 포함하며, 각 광원(110)은 여기광을 방출할 수 있다. 이때, 하나의 광로 전환부(190D)는 3개의 광원(110)으로부터 방출된 여기광의 방향을 입사 방향으로 전환할 수 있다. 즉, 3개의 광원(110)이 하나의 광로 전환부(190D)를 공유할 수 있다.
전술한 바와 같이, 광원(110)의 개수가 다름을 제외하면, 도 10a 내지 도 10c에 도시된 발광 장치(100H)는 도 9에 도시된 발광 장치(100G)와 동일하므로 중복되는 설명을 생략한다. 즉, 도 10a 내지 도 10c에 도시된 파장 변환부(120), 반사부(130), 기판(140), 투광부(160) 및 굴절 부재(170)는 도 9에 도시된 파장 변환부(120), 반사부(130), 기판(140), 투광부(160) 및 굴절 부재(170)와 각각 동일한 기능을 수행한다.
도 11a 및 도 11b는 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치(100I)의 평면도 및 정면도를 각각 나타낸다. 여기서, 도 11a 및 도 11b에 대한 단면도는 도 10a에 도시된 단면도와 동일하므로 생략되었다.
도 11a 및 도 11b에 도시된 발광 장치(100I)는 복수의 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130), 기판(140), 투광부(160), 굴절 부재(170) 및 복수의 광로 전환부(190D)를 포함할 수 있다.
도 10b 및 도 10c에 도시된 발광 장치(100H)는 복수의 광원(110)이 하나의 광로 전환부(190D)를 공유하는 구조를 갖는 반면, 도 11a 및 도 11b에 도시된 발광 장치(100I)는 복수의 광원(110) 각각에 대해 광로 전환부(190D)가 하나씩 할당된 구조를 갖는다.
전술한 바와 같이, 광로 전환부(190D)의 개수가 광원(110)의 개수와 동일한 것을 제외하면, 도 11a 및 도 11b에 도시된 발광 장치(100I)는 도 10b 및 도 10c에 도시된 발광 장치(100H)와 동일하므로, 동일한 부분에 대해서는 중복되는 설명을 생략한다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 3개의 광로 전환부(190D)는 3개의 광원(110)으로부터 방출된 여기광의 방향을 입사 방향으로 각각 전환한다. 즉, 도 10b 및 도 10c에 도시된 광로 전환부(190D)는 하나의 광로 전환부(190D)가 복수의 광원(110)에 대해 일대다 배치된 구조인 반면, 도 11a 및 도 11b에 도시된 광로 전환부(190D)는 복수의 광로 전환부(190D)가 복수의 광원(110)에 대해 일대일 배치된 구조이다.
도 12a 내지 도 12c는 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치(100J)의 단면도, 평면도 및 정면도를 각각 나타낸다.
도 12a 내지 도 12c에 도시된 발광 장치(100J)는 복수의 광원(110-1, 110-2, 110-3), 파장 변환부(120), 반사부(130), 기판(140), 투광부(160), 굴절 부재(170) 및 복수의 광로 전환부(190D-1, 190D-2, 190D-3)를 포함할 수 있다.
도 6 내지 도 11b에 도시된 발광 장치(100D 내지 100I)의 경우, 광로 전환부(190A 내지 190D)는 광 출사 영역(LA)의 상부의 주변 영역(PA)에 배치되지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 또 다른 실시 예에 의하면, 도 12a 내지 도 12c에 예시된 바와 같이 광로 전환부(190D-1 내지 190D-3)는 광 출사 영역(LA)의 상부의 주변 영역(PA)와 측부의 주변 영역(PA)에도 배치될 수도 있다.
도 2 및 도 12a 내지 도 12c를 참조하면, 제1 광원(110-1)으로부터 제1 투광부(160-1)를 통해 방출되는 직진성을 갖는 여기광의 광로를 전환하는 제1 광로 전환부(190D-1)는 광 출사 영역(LA)의 상부의 주변 영역(PA)에 배치된다. 반면에, 제2 광원(110-2)으로부터 제2 투광부(160-2)를 통해 방출되는 직진성을 갖는 여기광의 광로를 전환하는 제2 광로 전환부(190D-2)는 광 출사 영역(LA)의 왼쪽 측부의 주변 영역(PA)에 배치된다. 또한, 제3 광원(110-3)으로부터 제3 투광부(160-3)를 통해 방출되는 직진성을 갖는 여기광의 광로를 전환하는 제3 광로 전환부(190D-2)는 광 출사 영역(LA)의 오른쪽 측부에의 주변 영역(PA)에 배치된다. 도 12a 내지 도 12c에서, 복수의 광원(110-1 내지 110-3)은 외측 주변 영역(OPA)에 배치됨을 알 수 있다.
이와 같이, 광원(110-1, 110-2, 110-3)과 광로 전환부(190D-1, 190D-2, 190D-3)의 배치 형태가 다름을 제외하면, 도 12a, 도 12b, 도 12c에 도시된 발광 장치(100J)는 도 10a, 도 10b, 도 10c에 도시된 발광 장치(100I)와 각각 동일하므로, 동일한 부분에 대해서는 중복되는 설명을 생략한다.
도 13은 또 다른 실시 예에 의한 발광 장치(100K)의 단면도를 나타낸다.
도 13에 도시된 발광 장치(100K)는 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130), 기판(140), 투광부(160), 굴절 부재(170), 광 경로 전환부(190D) 및 블루(blue) 광 차단부(200)를 포함할 수 있다.
만일, 광원(110)에서 방출된 여기광이 블루(blue) 파장 대역의 광(이하, '블루 광'이라 함)을 포함할 경우, 블루 광이 반사부(130)에서 반사된 후 파장 변환부(120)에 입사된다. 이때, 파장 변환부(120)와 굴절 부재(170) 간의 굴절률 차이가 존재함으로 인해, 블루 광의 일부는 프레즈널 방정식(fresnel equation)에 의해 파장 변환부(120)에서 파장이 변환되지 않고 거울 반사될 수 있다. 즉, 블루 광은 파장 변환부(120)로 입사되지 않고 파장 변환부(120)의 표면에서 반사될 수 있다. 이때, 거울 반사되는 블루 광의 량은 굴절 부재(170)와 파장 변환부(120) 간의 굴절률 차, 파장 변환부(120)에 입사되는 블루광인 여기광의 각도에 의존한다. 파장 변환부(120)와 굴절 부재(170) 간의 굴절률 차이가 없다면, 블루 광은 파장 변환부(120)에서 거울 반사되지 않는다. 그러나, 굴절 부재(170)와 파장 변환부(120) 간의 굴절률 차가 있다면, 블루 여기광의 파장은 변환되지 않으며 거울 반사된 블루 광이 굴절 부재(170)를 통해 출사 방향으로 출사될 수 있다. 이로 인해, 발광 장치는 원하는 색을 갖는 광을 방출하지 못할 수도 있다.
이를 방지하기 위해, 블루 광 차단부(200)가 굴절 부재(170)의 공기와의 경계면(172)에서 블루 광이 지나가는 경로에 배치되어, 블루 광을 차단할 수 있다. 여기서, 직진성을 갖는 여기광의 입사각을 알 수 있기 때문에 파장 변환부(120)에서 거울 반사되어 경계면(172)을 통해 출사될 블루 광이 지나가는 경로를 예측할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 블루 광 차단부(200)는 블루 광을 흡수하는 물질을 포함할 수 있다. 다른 실시 예에 의하면, 블루 광 차단부(200)는 블루 광을 반사시키는 미러 코팅 면을 포함할 수 있다. 이와 같이, 블루 광 차단부(200)는 블루 광을 흡수하거나 반사시킴으로써, 경계면(172)을 통해 블루 광이 출사되는 것을 막을 수 있다.
이와 같이, 블루 광 차단부(200)를 더 포함하는 것을 제외하면, 도 13에 도시된 발광 장치(100K)는 도 10a에 도시된 발광 장치(100H)와 동일하므로 중복되는 설명을 생략한다. 즉, 도 13에 도시된 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130), 기판(140), 투광부(160) 및 굴절 부재(170)는 도 10a에 도시된 광원(110), 파장 변환부(120), 반사부(130), 기판(140), 투광부(160) 및 굴절 부재(170)와 각각 동일하므로 동일한 참조부호를 사용하였으며 중복되는 설명을 생략한다.
도 5 내지 도 13에 도시된 발광 장치(100C 내지 100K)에서 도 1b 또는 도 3b에 도시된 반사층(150)의 도시가 생략되었지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 다른 실시 예에 의하면, 도 5 내지 도 13에 도시된 발광 장치(100C 내지 100K)는 도 1b 또는 도 3b에 도시된 반사층(160)을 포함할 수도 있다.
또한, 도 6 내지 도 13에 도시된 발광 장치(100D 내지 100K)는 도 5에 도시된 바와 같은 형태로 반사 방지막(180)을 더 포함할 수도 있다.
또한, 도 6 내지 도 13에 도시된 발광 장치(100D 내지 100K)에서 굴절 부재(170)는 생략될 수도 있다.
일반적으로 발광 장치가 복수 개의 광원을 포함할 경우, 발광 장치는 복잡한 광학계를 채택할 수 밖에 없다. 즉, 기존의 발광 장치는 복수 개의 광원을 콜리메이트하는 광학계를 요구하고, 각 광원으로부터 방출되는 여기광을 파장 변환부의 한 점으로 집중시키기 위한 광학계를 요구한다. 게다가, 광원으로서 레이져 다이오드를 사용할 경우, 파장 변환부 위에 입사되어 모이는 여기광이 100 ㎛ 수준의 매우 작은 스폿(spot)이 되어야 하므로, 광학계가 복잡하며 정교할 것이 요구된다. 일반적으로 자동차의 헤드 램프에 발광 장치가 적용될 경우, 발광 장치는 충분한 량의 광을 방출하기 위해 복수 개의 광원을 사용한다. 이 경우, 자동차의 부품 비용이 증가하고 양산성을 저하시키며 진동 등의 신뢰성 측면에서 매우 불리할 수 있다.
반면에, 전술한 바와 같이, 실시 예에 의한 발광 장치(100A 내지 100K)에서 직진성을 갖는 여기광의 입사 방향은 변환광의 출사 방향과 나란한 정반대 방향이다. 포물면(132)의 특성상, 파장 변환부(120)에서 파장 변환된 변환광은 포물면(132)에서 반사되어 평행하게 진행한다. 이러한 포물면(132)의 특성으로 인해, 포물면(132)을 향해 평행한 입사 방향으로 직진성을 갖는 여기광을 조사시킬 경우, 여기광은 포물면(132)에서 반사된 후 파장 변환부(120)로 진행할 수 있다. 이때, 포물면(132)으로 입사되는 여기광이 포물면(132)의 어느 위치를 향하는가에 무관하게, 여기광의 입사 방향이 출사 방향과 나란한 정반대 방향이기만 하면, 직진성을 갖는 여기광이 포물면(132)의 어느 위치에서 반사되더라도, 여기광은 파장 변환부(120)를 향해 진행할 수 있다. 즉, 여기광이 도 1a, 도 1b, 도 3a, 도 3b, 도 5 내지 도 11c, 도 13에 도시된 바와 같이 광 출사 영역(LA)의 상부의 내측 주변 영역(IPA)에서 반사부(130)로 진행하든지, 도 12a 내지 도 12c에 도시된 바와 같이, 광 출사 영역(LA)의 측부의 내측 주변 영역(IPA)에서 반사부(130)로 진행하든지 상관없이 여기광은 항상 파장 변환부(120)로 진입할 수 있다.
이와 같이, 실시 예에 의하면, 포물면(132)의 특성을 이용하여 여기광의 입사 방향을 출사 방향과 나란한 정반대 방향으로 하여 반사부(130)로 진행시킴으로써, 여기광이 파장 변환부(120)의 한 점으로 효율적으로 쉽게 집중할 수 있다. 그러므로, 여기광이 파장 변환부(120)에 전달되는 경로가 간단하게 설계될 수 있어, 비용과 양산성과 신뢰성 측면이 개선될 수 있다. 즉, 실시 예에 의한 발광 장치의 구조를 간단히 하면서도 높은 변환광 효율이 보장될 수 있다.
또한, 도 1a 및 도 1b에 예시된 바와 같이, 포물면(132)에 금속 미러 코팅이 될 경우, 여기광의 집중도가 클 경우, 금속 미러 코팅된 포물면(132)이 손상될 수도 있다. 또한, 금속 미러 코팅된 포물면(132)의 반사율은 70% 내지 90%에 불과하다. 그러나, 도 3a, 도 3b, 도 5 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 발광 장치(100B 내지 100K)가 굴절 부재(170)를 포함할 경우, 포물면(132)은 전반사에 의해 광을 반사시킬 수 있으므로 금속 미러 코팅이 불필요해진다. 따라서, 여기광이 집중되는 경우에도 포물면(132)이 손상될 가능성이 적다. 또한, 전반사에 의할 경우, 포물면(132)에서 반사되는 광의 반사율은 100%로서 극대화될 수 있다. 이와 같이, 포물면(132)이 손상되지 않고 반사율이 극대화될 경우, 발광 장치의 신뢰성과 효율이 개선될 수 있다.
또한, 전술한 실시 예에 의한 발광 장치(100A 내지 100K)는 여기광의 파장을 변환시키기 위해 파장 변환부(120)를 투과시키는 투과형 방식을 채택하지 않고, 파장 변환부(120)에서 반사되도록 하는 반사형 방식을 채택한다. 이와 같이, 파장 변환부(120)를 반사하여 파장을 변환할 경우, 파장 변환부(120)의 양방향으로 방출되는 변환광을 한쪽 방향으로 모을 수 있는 특성 덕택에, 투과형 방식보다 광 변환 효율이 높아질 수 있다.
그러나, 일반적으로 투과형 방식에 비해 반사형 방식은 여기광의 경로와 변환광의 경로가 겹치기 때문에 변환광의 경로를 방해하지 않도록 여기광 광학계를 구현해야 하므로 발광 장치의 구조를 복잡하게 하고, 구조적 안정성을 저하시킬 수 있다. 만일, 광학계를 사용하지 않을 경우 조명 효율이 감소하고 여기광을 매우 비스듬한 방향으로 입사시킬 경우 초점의 스폿 크기가 켜져 광원(110)으로서 레이져를 사용하는 의미가 퇴색될 수 있다.
이를 고려하여, 도 8, 도 9, 도 10a 내지 도 10c, 도 11a, 도 11b, 도 12a 내지 도 12c 및 도 13에 도시된 바와 같이, 출사 방향으로 여기광을 방출하는 방향으로 광원(110)이 위치하고, 광로 전환부(190C, 190D, 190D-1 내지 190D-3)가 여기광의 진행 방향을 입사 방향으로 전환시킬 경우, 발광 장치의 구조가 보다 안정적으로 될 수 있다. 이와 같이, 실시 예에 의한 발광 장치는, 반사형 방식의 장점을 채택하여 높은 광 변환 효율을 제공하면서도 반사형 방식의 단점을 해소할 수 있다. 따라서, 기존과 비교할 때, 실시 예에 의한 발광 장치는 동일한 전력 소모로 더 나은 성능을 낼 수 있고, 더 적은 전력 소모로 동일한 성능을 제공할 수 있다.
전술한 실시 예에 의한 발광 장치(100A 내지 100K)는 다양한 분야에 적용될 수 있다. 예를 들어, 발광 장치(100A 내지 100K)는 자동차의 각종 램프(예를 들어, 하향등, 상향등, 후미등, 차폭등, 방향지시등, DRL(Day Running Light), 안개등) 또는 손전등 또는 신호등 또는 각종 조명용 기기와 같이 넓은 분야에 적용될 수 있다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100A 내지 100K: 발광 장치 110, 110-1, 110-2, 110-3: 광원
120: 파장 변환부 130: 반사부
132: 포물면 140: 기판
142: 홈부 150: 반사층
160, 160-1: 투광부 170: 굴절 부재
172: 경계면 180: 반사 방지막
190A, 190B, 190C-1, 190C-2, 190D-1, 190D-2, 190D-3: 광로 전환부
200: 광 차단부

Claims (27)

  1. 직진성을 갖는 여기광을 방출하는 적어도 하나의 광원; 및
    상기 직진성을 갖고 입사 방향으로 입사된 상기 여기광을 상기 입사 방향과 정반대 방향에 나란한 출사 방향으로 반사하는 반사부를 포함하는 발광 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 여기광의 파장을 변환하는 파장 변환부를 더 포함하고,
    상기 반사부는 상기 입사 방향으로 입사된 상기 직진성을 갖는 여기광을 상기 파장 변환부 쪽으로 반사시키고, 상기 파장 변환부에서 변환된 파장을 갖는 변환광을 상기 출사 방향으로 반사하는 발광 장치.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원으로부터 방출된 상기 여기광의 방향을 상기 입사 방향으로 전환하는 적어도 하나의 광로 전환부를 더 포함하는 발광 장치.
  4. 제2 항에 있어서, 상기 반사부는
    상기 여기광과 상기 변환광을 반사하는 포물면을 포함하는 발광 장치.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 포물면은 금속 미러 코팅된 발광 장치.
  6. 제4 항에 있어서, 상기 포물면은 상기 여기광을 상기 파장 변환부 쪽으로 전반사시키기에 적합한 기울기를 갖는 발광 장치.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 기울기는 0 내지 1.5 이하인 발광 장치.
  8. 제4 항에 있어서, 상기 출사 방향은 상기 포물면에서 반사된 상기 변환광이 평행하게 출사되는 방향인 발광 장치.
  9. 제2 항에 있어서, 상기 반사부와 상기 파장 변환부 사이에서 상기 여기광과 상기 변환광이 지나가는 공간에 채워지는 굴절 부재를 더 포함하는 발광 장치.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 굴절 부재에서 상기 변환광이 출사되는 공기와의 경계면은 상기 출사 방향에 수직인 발광 장치.
  11. 제9 항에 있어서, 상기 굴절 부재의 제1 굴절률은 상기 파장 변환부의 제2 굴절률과 다른 발광 장치.
  12. 제11 항에 있어서, 상기 제1 굴절률은 1.4 내지 1.8인 발광 장치.
  13. 제9 항에 있어서, 상기 여기광은 블루 파장 대역의 블루 광을 포함하고,
    상기 굴절 부재의 공기와의 경계면에서 상기 블루 광이 지나가는 경로에 배치된 블루 광 차단부를 더 포함하는 발광 장치.
  14. 제13 항에 있어서, 상기 블루 광 차단부는 상기 블루 광을 흡수하는 물질을 포함하는 발광 장치.
  15. 제13 항에 있어서, 상기 블루 광 차단부는 상기 블루 광을 반사시키는 미러 코팅 면을 포함하는 발광 장치.
  16. 제9 항에 있어서, 상기 굴절 부재에서 상기 변환광이 출사되는 공기와의 경계면에 배치된 반사 방지막을 더 포함하는 발광 장치.
  17. 제3 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광로 전환부는
    상기 적어도 하나의 광원으로부터 방출된 상기 여기광을 상기 입사 방향으로 전환시키는 적어도 하나의 미러를 포함하는 발광 장치.
  18. 제17 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 미러는
    상기 적어도 하나의 광원으로부터 상기 출사 방향과 나란한 방향으로 방출된 상기 여기광을 직각으로 반사시키는 제1 미러; 및
    상기 제1 미러에서 반사된 상기 여기광을 직각으로 상기 입사 방향으로 반사시키는 제2 미러를 포함하는 발광 장치.
  19. 제3 항에 있어서, 상기 광로 전환부는
    상기 적어도 하나의 광원으로부터 방출된 상기 여기광을 상기 입사 방향으로 굴절시키는 프리즘을 포함하는 발광 장치.
  20. 제3 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원은 상기 여기광을 방출하는 복수의 광원을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 광로 전환부는 상기 복수의 광원으로부터 방출되는 상기 여기광의 방향을 상기 입사 방향으로 전환하는 발광 장치.
  21. 제20 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광로 전환부는
    상기 복수의 광원으로부터 방출된 상기 여기광의 방향을 상기 입사 방향으로 각각 전환하는 복수의 광로 전환부를 포함하는 발광 장치.
  22. 제3 항 또는 제20 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원과 상기 적어도 하나의 광로 전환부는 상기 반사부로부터 상기 변환광이 출사되는 광 출사 영역의 주변 영역에 배치된 발광 장치.
  23. 제22 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광로 전환부는 상기 주변 영역 중 내측 주변 영역 또는 외측 주변 영역 중 적어도 한 곳에 배치되어 상기 여기광을 상기 내측 주변 영역에서 상기 반사부로 입사시키고,
    상기 적어도 하나의 광원은 상기 내측 주변 영역 또는 상기 외측 주변 영역 중 적어도 한 곳에 배치되고,
    상기 내측 주변 영역은 상기 반사부를 대면하는 영역을 포함하고, 상기 외측 주변 영역은 상기 반사부를 대면하지 않고 상기 내측 주변 영역에 이웃하는 영역을 포함하는 발광 장치.
  24. 제22 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광로 전환부는 상기 광 출사 영역의 상부 또는 측부 중 적어도 한 곳의 상기 주변 영역에 위치한 발광 장치.
  25. 제2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원은 상기 변환광이 출사되는 광 출사 영역의 주변 영역 중에서 상기 반사부를 대면하는 내측 주변 영역으로 상기 여기광을 상기 반사부로 조사하도록 배치되는 발광 장치.
  26. 제2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원과 상기 반사부 사이에 배치된 투광부를 더 포함하는 발광 장치.
  27. 제1 항에 있어서, 상기 직진성을 갖는 상기 여기광이 발산 또는 수렴하는 각도는 0° 내지 1°인 발광 장치.
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